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마이크로반응기: 생분해성 고분자 생산공정의 개선기회
 작은 홈을 파여진 작은 알루미늄 합금 덩어리를 이용하여 생분해성 고분자(biodegradable polymer)를 만들고자 하는 개선된 녹색 화학(green chemistry) 기법이, 미구 국립표준기술원(National Institute of Standards and Technology)의 연구팀에 의해 개발되었다. 연구팀은 최근의 연구("Continuous Flow Enzyme-Catalyzed Polymerization in a Microreactor")는 공업화학을 위한 공정 모델링 및 개발을 위한 미세유체역학(microfluidics)의 가치를 보여주는 좋은 사례가 되고 있다. 미세유체역학은 잉크젯 프린터 및 의학진단 분야에서 더 널리 사용되고 있다.
연구팀은 기본적으로 효소를 사용하여 연속적인 중합(polymerization)을 관찰하기 위해 마이크로반응기를 개발하였다고 NIST의 재료과학자인 Kathryn Beers는 설명하고 있다. 이런 효소들은 생분해성 고분자와 같은 종류를 제조하기 위한 대체 녹색기술에 해당한다. 그러나 프로세스가 아직 산업적인 경쟁력을 갖추고 있지 못하다고 그녀는 밝혔다. 자그마한 비드(bead)가 수백 개 채워진 1mm 깊이의 일종의 지그재그 형태의 채널을 갖춘 마이크로반응기의 자료를 보면, 프로세스가 훨씬 더 효율적으로 구성될 수 있음을 보여주고 있다. 본 연구는 마이크로반응기에서 고체에 고정한 효소를 이용한 중합을 처음으로 관찰할 사례이다.
연구팀은 의료기기로부터 일회용 식탁용 식기류에 이르기까지 널리 사용되고 있는 생분해성 폴리에스터(polyester)인 폴리카프로락톤(PCL)의 합성에 관해 연구를 수행하였다. PCL은 가장 일반적으로 유기 주석 기반의 촉매를 사용하여 합성되고 있으며, 이 촉매는 길다란 고분자 체인 내에 염기성 고리(ring) 을 삽입하는데 관여한다. 그러나 이 촉매는 매우 독성이 강하며 폐기처분을 해야 하는 문제도 있다.
현대의 생화학적 관점에서, 효소의 일조인 Candida antartica에 의해 생성되는 효소에서 좀 더 친환경적인 대체물질을 발견하였지만, 표준적인 일괄공정(batch process)은 상업적으로 경쟁력을 갖기에는 너무 비효율적이다. 또한 효소 잔류물이 최종제품을 오염시키고 분해하는 문제점도 있다.
반면 마이크로반응기는 연속적인 흐름공정에 해당한다. 좁은 채널을 통해 효소로 코팅된비드 근처를 원료 화학물질이 통과하고, 합성되며 출구로 나오게 된다. 배열은 온도 및 반응시간을 정교하게 조절할 수 있도록 되어 있기 때문에, 프로세스의 화학반응속도론(chemical kinetics)에 대한 상세한 정보가 기록됨으로써 프로세스를 확대하기 위한 정확한 모델을 개발하는데 도움이 된다.
소규모의 흐름반응기(flow reactor)는 중합의 관찰을 가능하게 하고, 이들 효소의 성능, 재활용성 및 회수를 검토할 수 있게 한다고 Beers는 밝혔다. 이 공정의 공학적 접근을 통해, 연구팀은 연속흐름이 실질적으로 이 반응기에 적절함을 보여주었다. 반응속도를 극적으로 향상시킬 뿐만 아니라 효소를 회수하고 제품오염을 감소시키는 능력을 개선하여 준다. 다음 연구논문을 통해, 그녀는 산업 규모의 프로세스를 설계하기 위한 기초가 되는 완전한 반응속도 모델을 제시하게 될 것이다.
비록 본 연구가 효소를 이용한 고분자 반응의 특정한 종류에 한정된 것이지만, 유사한 마이크로반응기 기반의 플랫폼은 다른 시스템으로까지 확장될 수 있음을 보여준 사례에 해당한다. 예를 들어, 새로운 효소의 초고속 스크리닝(high-throughput screening) 및 연속흐름 모드가 적절한 프로세스와 같은 것들이다.
첨부그림> 효소 촉매반응을 통한 중합 연구를 위한 전형적인 NIST 마이크로반응기. 투명한 필름으로 덮인 알루미늄 판의 채널은 효소 촉매가 부착된 플라스틱 비드로 채워져 있다. 채널은 폭이 2mm이고 깊이는 1mm이다.
※출처: 녹색기술정보포털(www.gtnet.go.kr)
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